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如何利用Vue的自定义渲染器（Custom Renderer）在Canvas或WebGL上渲染？

Vue自定义渲染器：解锁Canvas与WebGL渲染新姿势

大家好，今天我们来深入探讨Vue的自定义渲染器，以及如何利用它将Vue组件渲染到Canvas和WebGL上。Vue的虚拟DOM和组件化思想，结合Canvas和WebGL强大的图形渲染能力，可以创造出令人惊艳的交互式可视化应用。

1. 理解Vue渲染器的本质

在深入自定义渲染器之前，我们需要理解Vue默认渲染器的工作方式。Vue的核心思想是数据驱动视图，它通过以下几个关键步骤实现：

  1. 模板编译 (Template Compilation): 将Vue组件的模板(template)编译成渲染函数(render function)。
  2. 虚拟DOM (Virtual DOM): 渲染函数执行后，会生成一个虚拟DOM树，它是一个轻量级的JavaScript对象，描述了真实DOM的结构。
  3. Diffing (Diffing Algorithm): 当数据发生变化时，Vue会比较新旧虚拟DOM树的差异。
  4. Patching (Patching Algorithm): 根据Diff的结果，Vue只会更新真实DOM中发生变化的部分，而不是重新渲染整个DOM树，从而提高性能。

默认情况下，Vue渲染器将虚拟DOM节点转化为标准的HTML DOM元素。而自定义渲染器的目的就是替换掉这个默认的转化过程，将虚拟DOM节点转化为Canvas或WebGL的绘制指令。

2. 自定义渲染器API概览

Vue提供了一系列的API来创建自定义渲染器，其中最核心的是 createRenderer 函数。createRenderer 函数接收一个渲染器选项对象，该对象包含一系列hook函数，用于控制渲染过程。以下是一些常用的hook函数：

Hook 函数 作用
createElement 用于创建平台特定的元素。例如，在Canvas渲染器中，你可以创建一个表示圆形、矩形或文本的对象。在WebGL渲染器中，你可能会创建一个顶点缓冲对象(VBO)。
patchProp 用于设置元素的属性。例如，在Canvas渲染器中，你可以设置圆形的颜色、半径或位置。在WebGL渲染器中，你可以设置顶点的位置、颜色或法向量。
insert 用于将元素插入到父元素中。例如，在Canvas渲染器中，你可以将一个圆形对象添加到绘图上下文中。在WebGL渲染器中，你可以将一个VBO绑定到OpenGL管线上。
remove 用于从父元素中删除元素。例如，在Canvas渲染器中，你可以从绘图上下文中移除一个圆形对象。在WebGL渲染器中，你可以删除一个VBO。
createComment 用于创建注释节点。
createText 用于创建文本节点。
nextSibling 用于获取给定元素的下一个兄弟元素。
parentNode 用于获取给定元素的父元素。

3. Canvas渲染器：构建一个简单的圆形组件

让我们从一个简单的例子开始，创建一个Canvas渲染器来渲染一个圆形组件。

3.1. 定义圆形组件

// Circle.vue
<template>
  <div :x="x" :y="y" :radius="radius" :color="color"></div>
</template>

<script>
export default {
  props: {
    x: {
      type: Number,
      default: 0
    },
    y: {
      type: Number,
      default: 0
    },
    radius: {
      type: Number,
      default: 10
    },
    color: {
      type: String,
      default: 'red'
    }
  }
};
</script>

这个组件接收 x, y, radius 和 color 作为props，并在模板中使用这些props。注意，我们使用的是一个空的 div 元素，这是因为我们不关心真实的DOM结构，而是要利用自定义渲染器将这些props转化为Canvas绘制指令。

3.2. 创建Canvas渲染器

import { createRenderer } from 'vue';

const rendererOptions = {
  createElement: (type) => {
    // 在这里，我们并不真正创建DOM元素
    // 而是返回一个简单的对象，用于存储组件的属性
    return { type };
  },
  patchProp: (el, key, prevValue, nextValue) => {
    // 将属性存储到元素对象中
    el[key] = nextValue;
  },
  insert: (el, parent) => {
    // 将元素添加到父元素的children数组中
    if (!parent.children) {
      parent.children = [];
    }
    parent.children.push(el);
  },
  remove: (el, parent) => {
    parent.children = parent.children.filter(child => child !== el);
  },
  parentNode: (el) => {
    return el.parent;
  },
  nextSibling: (el) => {
    const parent = el.parent;
    if (!parent) return null;
    const index = parent.children.indexOf(el);
    if (index === -1 || index === parent.children.length - 1) return null;
    return parent.children[index + 1];
  },
  createComment: () => {}, // 不使用注释
  createText: () => {} // 不使用文本节点
};

const { createApp, render: baseRender } = createRenderer(rendererOptions);

function render(vnode, container) {
  baseRender(vnode, container);
  // 在渲染完成后，执行Canvas绘制
  drawCanvas(container);
}

const app = createApp({});

app.mount = (selector) => {
  const container = document.querySelector(selector);
  if (!container) {
    console.error(`Container "${selector}" not found.`);
    return;
  }

  // 创建一个Canvas元素
  const canvas = document.createElement('canvas');
  canvas.width = 500;
  canvas.height = 500;
  container.appendChild(canvas);

  const rootContainer = { canvas, children: [] };

  const mountApp = app.mount;
  app.mount = () => {
    mountApp();
  };
  render(app._container, rootContainer);
  return app;
}

// 暴露 render 方法
app.render = render;

// 定义 Canvas 绘制函数
function drawCanvas(container) {
  const canvas = container.canvas;
  const ctx = canvas.getContext('2d');

  // 清空Canvas
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);

  // 遍历所有子元素，绘制圆形
  container.children.forEach(child => {
    if (child.type === 'div' && child.x !== undefined && child.y !== undefined && child.radius !== undefined && child.color !== undefined) {
      ctx.beginPath();
      ctx.arc(child.x, child.y, child.radius, 0, 2 * Math.PI);
      ctx.fillStyle = child.color;
      ctx.fill();
    }
  });
}

export { app };

在这个代码中，createRenderer 函数接收一个 rendererOptions 对象，该对象定义了如何创建、更新和插入元素。

  • createElement 函数简单地返回一个包含 type 属性的对象，用于标识元素类型。
  • patchProp 函数将属性值存储到元素对象中。
  • insert 函数将元素添加到父元素的 children 数组中。
  • remove 函数从父元素的 children 数组中移除元素。
  • app.mount函数做了修改，目的是创建一个canvas元素，并将其放置到指定的容器中。
  • drawCanvas 函数遍历所有子元素，如果元素是圆形，则在Canvas上绘制它。

3.3. 使用Canvas渲染器

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Vue Canvas Renderer</title>
</head>
<body>
  <div id="app"></div>
  <script src="https://unpkg.com/vue@3/dist/vue.global.js"></script>
  <script type="module">
    import { app } from './canvasRenderer.js'; // 假设你的渲染器代码保存在 canvasRenderer.js 文件中
    import Circle from './Circle.vue';

    app.component('Circle', Circle);

    const vm = app.mount('#app');

    // 使用组件
    setTimeout(() => {
        vm._container.children = [];
        app.render(app._container, vm._container);
        const circle1 = { type: 'div', x: 100, y: 100, radius: 50, color: 'blue' };
        vm._container.children.push(circle1);
        app.render(app._container, vm._container);

        const circle2 = { type: 'div', x: 200, y: 200, radius: 30, color: 'green' };
        vm._container.children.push(circle2);
        app.render(app._container, vm._container);

        const circle3 = { type: 'div', x: 300, y: 300, radius: 20, color: 'yellow' };
        vm._container.children.push(circle3);
        app.render(app._container, vm._container);

    }, 1000);

    // 或者使用Vue组件的方式
    // app.component('my-component', {
    //   template: `
    //       <Circle x="100" y="100" radius="50" color="blue"></Circle>
    //       <Circle x="200" y="200" radius="30" color="green"></Circle>
    //       <Circle x="300" y="300" radius="20" color="yellow"></Circle>
    //   `
    // });

    // app.mount('#app');

  </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们首先引入了Vue和自定义渲染器。然后，我们创建了一个Vue应用实例，并使用 app.mount('#app') 将应用挂载到id为 app 的DOM元素上。 drawCanvas 函数负责在Canvas上绘制圆形。

这个例子展示了如何使用自定义渲染器将Vue组件渲染到Canvas上。虽然这个例子很简单，但它演示了自定义渲染器的核心概念。

4. WebGL渲染器：渲染一个简单的三角形

接下来，我们创建一个WebGL渲染器来渲染一个简单的三角形。

4.1. 定义三角形组件

// Triangle.vue
<template>
  <div :vertices="vertices" :color="color"></div>
</template>

<script>
export default {
  props: {
    vertices: {
      type: Array,
      default: () => [
        0.0,  0.5, 0.0,
        -0.5, -0.5, 0.0,
        0.5, -0.5, 0.0
      ]
    },
    color: {
      type: Array,
      default: () => [1.0, 0.0, 0.0, 1.0] // RGBA
    }
  }
};
</script>

这个组件接收 vertices (顶点坐标) 和 color (颜色) 作为props。

4.2. 创建WebGL渲染器

import { createRenderer } from 'vue';

function createWebGLRenderer() {
  let gl = null;
  let program = null;
  let vertexBuffer = null;
  let colorBuffer = null;

  const rendererOptions = {
    createElement: (type) => {
      return { type }; // 同样，不创建真实DOM元素
    },
    patchProp: (el, key, prevValue, nextValue) => {
      el[key] = nextValue;
    },
    insert: (el, parent) => {
      if (!parent.children) {
        parent.children = [];
      }
      parent.children.push(el);
    },
    remove: (el, parent) => {
      parent.children = parent.children.filter(child => child !== el);
    },
        parentNode: (el) => {
        return el.parent;
    },
    nextSibling: (el) => {
        const parent = el.parent;
        if (!parent) return null;
        const index = parent.children.indexOf(el);
        if (index === -1 || index === parent.children.length - 1) return null;
        return parent.children[index + 1];
    },
    createComment: () => {},
    createText: () => {}
  };

  const { createApp, render: baseRender } = createRenderer(rendererOptions);

  function render(vnode, container) {
      baseRender(vnode, container);
      // 在渲染完成后，执行WebGL绘制
      drawWebGL(container);
  }

  const app = createApp({});

  app.mount = (selector) => {
    const container = document.querySelector(selector);
    if (!container) {
      console.error(`Container "${selector}" not found.`);
      return;
    }

    const canvas = document.createElement('canvas');
    canvas.width = 500;
    canvas.height = 500;
    container.appendChild(canvas);

    // 初始化WebGL
    gl = canvas.getContext('webgl');
    if (!gl) {
      console.error('WebGL not supported.');
      return;
    }

    // 创建顶点着色器
    const vertexShaderSource = `
      attribute vec3 aVertexPosition;
      attribute vec4 aVertexColor;

      uniform mat4 uMVMatrix;
      uniform mat4 uPMatrix;

      varying lowp vec4 vColor;

      void main(void) {
        gl_Position = uPMatrix * uMVMatrix * vec4(aVertexPosition, 1.0);
        vColor = aVertexColor;
      }
    `;

    const vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
    gl.shaderSource(vertexShader, vertexShaderSource);
    gl.compileShader(vertexShader);

    if (!gl.getShaderParameter(vertexShader, gl.COMPILE_STATUS)) {
      console.error('An error occurred compiling the shaders: ' + gl.getShaderInfoLog(vertexShader));
      gl.deleteShader(vertexShader);
      return null;
    }

    // 创建片元着色器
    const fragmentShaderSource = `
      varying lowp vec4 vColor;

      void main(void) {
        gl_FragColor = vColor;
      }
    `;

    const fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
    gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource);
    gl.compileShader(fragmentShader);

    if (!gl.getShaderParameter(fragmentShader, gl.COMPILE_STATUS)) {
      console.error('An error occurred compiling the shaders: ' + gl.getShaderInfoLog(fragmentShader));
      gl.deleteShader(fragmentShader);
      return null;
    }

    // 创建着色器程序
    program = gl.createProgram();
    gl.attachShader(program, vertexShader);
    gl.attachShader(program, fragmentShader);
    gl.linkProgram(program);

    if (!gl.getProgramParameter(program, gl.LINK_STATUS)) {
      console.error('Unable to initialize the shader program: ' + gl.getProgramInfoLog(program));
      return null;
    }

    gl.useProgram(program);

    // 获取属性和uniform变量的位置
    program.vertexPositionAttribute = gl.getAttribLocation(program, "aVertexPosition");
    gl.enableVertexAttribArray(program.vertexPositionAttribute);

    program.vertexColorAttribute = gl.getAttribLocation(program, "aVertexColor");
    gl.enableVertexAttribArray(program.vertexColorAttribute);

    program.pMatrixUniform = gl.getUniformLocation(program, "uPMatrix");
    program.mvMatrixUniform = gl.getUniformLocation(program, "uMVMatrix");

    const rootContainer = { canvas, children: [] };

    const mountApp = app.mount;
    app.mount = () => {
      mountApp();
    };
    render(app._container, rootContainer);
    return app;
  }

  app.render = render;

  // 定义 WebGL 绘制函数
  function drawWebGL(container) {
    if (!gl || !program) return;

    gl.viewport(0, 0, container.canvas.width, container.canvas.height);
    gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

    // 设置透视投影矩阵
    const fieldOfView = 45 * Math.PI / 180;
    const aspect = container.canvas.width / container.canvas.height;
    const zNear = 0.1;
    const zFar = 100.0;
    const pMatrix = mat4.create(); // 使用gl-matrix库
    mat4.perspective(pMatrix, fieldOfView, aspect, zNear, zFar);

    // 设置模型视图矩阵
    const mvMatrix = mat4.create();
    mat4.identity(mvMatrix); // 设置为单位矩阵
    mat4.translate(mvMatrix, mvMatrix, [0.0, 0.0, -6.0]);

    container.children.forEach(child => {
      if (child.type === 'div' && child.vertices && child.color) {
        // 创建顶点缓冲对象
        vertexBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(child.vertices), gl.STATIC_DRAW);
        gl.vertexAttribPointer(program.vertexPositionAttribute, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);

        // 创建颜色缓冲对象
        colorBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new Float32Array(child.color), gl.STATIC_DRAW);
        gl.vertexAttribPointer(program.vertexColorAttribute, 4, gl.FLOAT, false, 0, 0);

        // 设置uniform变量
        gl.uniformMatrix4fv(program.pMatrixUniform, false, pMatrix);
        gl.uniformMatrix4fv(program.mvMatrixUniform, false, mvMatrix);

        // 绘制三角形
        gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, child.vertices.length / 3);

        // 清理缓冲对象
        gl.deleteBuffer(vertexBuffer);
        gl.deleteBuffer(colorBuffer);
      }
    });
  }

  return { app };
}

export const { app } = createWebGLRenderer();

在这个代码中，我们初始化了WebGL上下文，创建了顶点着色器和片元着色器，并编译链接成着色器程序。drawWebGL 函数负责设置WebGL状态，创建顶点缓冲对象，并将顶点数据传递给着色器程序，最后绘制三角形。 需要注意的是，这里使用了 gl-matrix 库进行矩阵运算。需要引入这个库。

4.3. 使用WebGL渲染器

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Vue WebGL Renderer</title>
  <script src="https://unpkg.com/vue@3/dist/vue.global.js"></script>
  <script src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/gl-matrix/3.4.3/gl-matrix-min.js" integrity="sha512-tyHw3F6q0s4J9w4P0w4YX689pU6t5T3/tK+0w5mn8z5F+hXf6v9l7gJ2hD9n9bF0W4f1h+yD9j5HqC0O9q8w==" crossorigin="anonymous" referrerpolicy="no-referrer"></script>
</head>
<body>
  <div id="app"></div>
  <script type="module">
    import { app } from './webglRenderer.js'; // 假设你的渲染器代码保存在 webglRenderer.js 文件中
    import Triangle from './Triangle.vue';

    app.component('Triangle', Triangle);

    const vm = app.mount('#app');

    setTimeout(() => {
        vm._container.children = [];
        app.render(app._container, vm._container);

        const triangle1 = {
            type: 'div',
            vertices: [
                0.0,  0.5, 0.0,
                -0.5, -0.5, 0.0,
                0.5, -0.5, 0.0
            ],
            color: [1.0, 0.0, 0.0, 1.0]
        };

        vm._container.children.push(triangle1);
        app.render(app._container, vm._container);

        const triangle2 = {
            type: 'div',
            vertices: [
                -0.3,  0.7, 0.0,
                -0.8, -0.3, 0.0,
                0.2, -0.3, 0.0
            ],
            color: [0.0, 1.0, 0.0, 1.0]
        };

        vm._container.children.push(triangle2);
        app.render(app._container, vm._container);
    }, 1000);

    // 或者使用Vue组件的方式
    // app.component('my-component', {
    //   template: `
    //       <Triangle :vertices="[0.0, 0.5, 0.0, -0.5, -0.5, 0.0, 0.5, -0.5, 0.0]" :color="[1.0, 0.0, 0.0, 1.0]"></Triangle>
    //   `
    // });

    // app.mount('#app');
  </script>
</body>
</html>

这个例子展示了如何使用自定义渲染器将Vue组件渲染到WebGL上。

5. 进阶技巧与注意事项

  • 性能优化: Canvas和WebGL渲染的性能至关重要。避免频繁更新整个场景，尽量只更新需要更新的部分。使用适当的缓存策略，例如缓存几何体数据和纹理。
  • 组件通信: 在自定义渲染器中，组件之间的通信可能需要一些额外的处理。可以使用Vue的事件机制或props来传递数据。
  • 状态管理: 可以使用Vuex或Pinia等状态管理库来管理Canvas或WebGL应用的状态。
  • 第三方库: 可以结合使用其他的Canvas或WebGL库，例如 Fabric.js, Three.js 或 Babylon.js，来简化开发。
  • 调试: 调试自定义渲染器可能会比较困难。可以使用浏览器的开发者工具来检查Canvas或WebGL的状态。

6. 案例分析：数据可视化

自定义渲染器非常适合用于创建数据可视化应用。例如，可以使用Canvas或WebGL渲染器来绘制折线图、柱状图、散点图或其他类型的图表。

7. 总结一下

通过自定义渲染器，我们可以将Vue的组件化能力与Canvas和WebGL的强大渲染能力相结合，创造出各种各样的交互式可视化应用。掌握自定义渲染器的核心概念和API，能够帮助我们更好地利用Vue来构建高性能、高质量的图形应用。

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